鋼管輕集料混凝土界面黏結滑移過程分析

余振鵬　傅中秋　吉伯海

(河海大學 土木與交通學院， 南京　210098)

?

鋼管輕集料混凝土界面黏結滑移過程分析

余振鵬傅中秋吉伯海

(河海大學 土木與交通學院， 南京210098)

摘要：為探究鋼管輕集料混凝土黏結滑移受力過程和機理，通過4個鋼管輕集料混凝土柱推出試驗，分析鋼管輕集料混凝土界面黏結滑移受力過程．從鋼管外壁應變變化、位移-荷載曲線、黏結破壞強度以及相應位移角度分析長細比和緊箍系數對鋼管輕集料混凝土黏結滑移的影響；通過詳細分析加載過程中鋼管外壁應變變化研究構件黏結滑移受力過程．試驗結果表明：核心混凝土全界面發生相對滑移時，滑移荷載主要受緊箍系數直接影響，緊箍系數越大相應荷載越大；滑移過程中，鋼管外壁縱向應變變化反映其位移-荷載曲線趨勢；鋼管內壁混凝土接觸界面始終對輕集料混凝土有較大的環向約束作用，長細比越大在鋼管端部環向作用越明顯；緊箍系數不變，黏結破壞荷載對應位移隨長細比增大逐漸遞增．

關鍵詞：鋼管輕集料混凝土；黏結滑移；管壁應變；長細比；緊箍系數

鋼管混凝土具有承載能力高、抗震性能好、施工便利、自重輕以及耐火性好等優點，已被廣泛應用于工程實踐．輕集料混凝土作為一種新型建筑材料以其輕質、高強、高耐久性等優點，成為近年來國內外混凝土研發的主要方向之一，用輕集料混凝土代替普通混凝土，形成鋼管輕集料混凝土，在鋼管普通混凝土的基礎上進一步降低結構自重．對現代大型工程而言，鋼管輕集料混凝土具有獨特優勢[1]．

鋼管混凝土中，鋼管和混凝土的黏結應力，是由鋼管和混凝土兩種不同材料相互作用的結果，主要由3部分構成：水泥膠體與鋼管接觸面的化學膠結力、鋼管表面與混凝土之間的機械咬合力、鋼管與混凝土接觸面的摩阻力．目前國內外對鋼管混凝土黏結滑移進行了相關研究，如Morishita[2]、Shakir-Khalil[3]研究不同鋼管截面形狀、界面長度和加載方式對鋼管混凝土黏結滑移影響；鐘善桐[4]對鋼管混凝土協同工作受黏結滑移影響進行研究，薛立紅[5-6]、康希良[7]分析鋼管尺寸、混凝土強度以及混凝土澆筑方式等因素對黏結滑移影響．近年來，張衛東[8]、陳峰[9]分別對再生混凝土與自密實混凝土黏結滑移性能作出相關研究．本文基于課題組原有研究成果[10]，設計4個不同長細比和箍筋系數的鋼管輕集料混凝土柱，并在鋼管外壁密布應變片，根據隨加載過程中鋼管外壁應變變化趨勢對鋼管輕集料混凝土黏結滑移進行研究．分析長

細比對構件黏結破壞荷載對應位移的影響和其它參數對構件黏結破壞強度的影響．

1試驗概況

1.1試驗材料

試驗所用混凝土集料為1～3 mm的陶粒輕集料，其余集料為天然河砂(中砂)，普通硅酸鹽水泥，試驗設計CL30輕骨料混凝土，其配合比詳見表1，所有輕集料混凝土均無外加劑摻入．鋼管采用Q235直縫焊接鋼管，其力學性能見表2．

表1　輕骨料混凝土配合比

表2　鋼管的力學性能指標

1.2試件設計及制作

設計4個試件，并引用部分數據，考慮圓鋼管的不同長度、外徑和管壁厚度3個參數，設置不同的長細比和緊箍系數．各試件的具體參數和試驗基本數據詳見表3．

表3　試件基本數據及試驗結果一覽表

注：(1)緊箍系數θ=Asfy/Acfc，As、fy分別為鋼管截面積和其屈服強度；Ac、fc分別為核心輕集料混凝土截面積和其軸心抗壓強度；(2)黏結強度為抗剪黏結強度，τu=Nu/(πL0D0)，各參數具體含義如上表所示．制作試件時，為保證核心混凝土在鋼管內部有足夠的滑移空間和構件制作方便，在鋼管上方自由端預留50 mm長的鋼管不填充混凝土，另一端核心混凝土面與鋼管截面齊平，作為加載端．試件采用混凝土攪拌棒攪拌密實，未處理鋼管內壁，采用同條件自然養護．

1.3加載裝置與加載制度

利用MTS液壓伺服機加載，采用位移控制的加載制度，加載速度為0.1 mm/s，推出試驗當管內混凝土出現較明顯的非線性滑移時，開始放慢加載速度．加載端混凝土面下放置略小于鋼管內徑、厚度為20 mm的鋼墊板，同時在鋼墊板下放置一高度為50 mm圓柱體鐵柱．推出時，上方自由端加一鐵板使鋼管受壓，下方加載端混凝土受壓，從而將核心混凝土推出鋼管．加載裝置如圖1所示．

圖1　試驗加載裝置

2試驗結果與分析

2.1鋼管應變變化規律

黏結應力與鋼管應力的微分成正比關系，從而由加載過程中鋼管外壁應變變化規律分析鋼管與核心輕集料混凝土之間黏結應力大小及分布規律[7]．圖2為鋼管不同位置縱向應變-滑移位移關系曲線，構件加載到黏結破壞荷載對應位移時，鋼管外壁縱向應變達到最大值，即沿鋼管內壁與輕集料混凝土之間的黏結強度最大．當位移加載在黏結破壞荷載對應位移之后，隨位移繼續增大，各截面縱向應變逐漸變小，最終趨于相對平衡的應變．通過鋼管外壁應變數值沿鋼管高度的變化分析，可以直接反映不同加載位移下，沿管壁內側黏結強度趨勢．

圖2　鋼管縱向應變

圖2所示，整個推出試驗，不同加載位移，縱向應變沿鋼管外壁變化趨勢各不相同．當構件滑移到黏結破壞荷載對應位移時，其變化斜率反應最大，隨著滑移位移繼續增大，斜率反應逐漸變小，隨之逐漸趨于某一斜率開始重合．根據分析，初始加載到黏結破壞荷載對應位移時黏結荷載最大，應變變化率反應最大．隨著滑移位移繼續增大黏結荷載降低最終趨于相對平緩，以至于縱向應變變化斜率逐漸減緩隨之趨于重合，反映黏結荷載變化率反應逐漸減小趨于相對平緩．

圖3為圖2所示加載位移相應應變連續差值關系曲線(第一級5 mm與黏結破壞加載位移的應變差值，第二級5 mm與10 mm加載位移的應變差值，依次類推(所述位移值為加載過程中核心混凝土相對于鋼管的滑移位移)．隨著加載位移級增大，各個截面應變差值基本逐漸縮小，當加載位移級達到3時，即加載位移達到10 mm之后，應變差值變化率相對降低趨于平緩．

由圖3分析，試件加載達到黏結破壞荷載對應位移時，管壁縱向應力最大，隨著加載位移繼續增大，管壁縱向應力逐漸減小，各截面應變變化率逐漸減小，應變值趨于相對較穩定的值附近變化波動．當核心混凝土全界面發生相對滑移后，鋼管內壁與輕集料混凝土之間相對處于較穩定的黏結荷載．

圖3　鋼管不同位移對應的應變差

圖4為各鋼管輕集料混凝土試件鋼管不同位置處環向應變隨著滑移位移變化關系曲線．滑移過程中，鋼管對輕集料混凝土始終有較大的環向約束作用，達到黏結破壞荷載之后，環向應力約是相應縱向位置應力的20%～30%，與普通鋼管混凝土試驗結果一致[7]．

圖4　鋼管不同位置環向應變-滑移位移關系曲線

按加載平衡條件分析，核心輕集料混凝土已經滑離零截面，其中零截面為未加載時鋼管與核心混凝土齊平一端的截面，此處不存在黏結應力，即縱向應變和環向應變應為零，在上述縱向應變分析中，零截面縱向應變符合該規律，但環向應變反應不符合該規律．如圖4所示鋼管最下端零截面環向應變數據，不同加載位移，零截面環向應變呈喇叭狀應變變化較大，同時長細比較大構件其環向應變相對于長細比較小構件環向應變反應明顯．

根據分析，推出試驗過程，鋼管混凝土柱長細比較大構件容易發生失穩，零截面受輕集料混凝土底端滑移位置與該位置鋼管截面相互作用影響，內壁發生微小變形與輕集料混凝土產生擠壓作用，該截面鋼管環向約束提高，導致附近處零截面出現較大環向應變，當輕集料混凝土滑移位移較大時，零截面環向受其影響越小，環向應變反應變小．當構件長細比越大時，相互擠壓作用越明顯，零截面環向受其影響越大，環向應變反應變大．原理示意如圖5所示．由此分析推斷，鋼管輕集料混凝土柱在加載過程中，存在失穩現象，管壁發生微小變形與輕集料混凝土底端滑移相互作用，鋼管端部對輕集料混凝土有較大的環向約束作用．

圖5　零截面環向應變產生原理圖

2.2荷載-滑移曲線

在加載初期，試件黏結力主要是由化學膠著力承擔，僅鋼管與混凝土界面出現微小滑移，隨著荷載增大，鋼管與混凝土滑移逐步發展，此時主要由未發生滑移部分化學膠著力和已發生滑移部分機械咬合力共同承擔．當化學膠著力和機械咬合力達到最大時，即為黏結破壞荷載Pu，此時機械咬合力占主要部分．化學膠著力和機械咬合力大于初始摩阻力時，界面發生黏結破壞，如果初始摩阻力不足以抵抗荷載，位移-荷載曲線即會出現峰值點和之后的下降段．如果初始摩阻力足以抵抗試件的化學膠著力和機械咬合力，當黏結破壞后，荷載將繼續上升，位移-荷載曲線不會出現峰值點[10]．

隨后位移-荷載曲線進入非線性階段，滑移不斷發展，化學膠著力逐步退出工作，直到核心混凝土與鋼管全界面發生相對滑移時，全部退出工作．隨著滑移繼續增大，機械咬合力也退出工作，最終界面主要由鋼管與混凝土摩阻力作用．

通過MTS液壓伺服機采集獲取試件的荷載-位移曲線，如圖6(a)所示．按上述加載方式，得到如圖6所示鋼管輕集料混凝土黏結滑移位移-荷載曲線，設計與引用的8個鋼管輕集料混凝土試件均有峰值點，即初始摩擦力均小于化學膠著力和機械咬合力最大值．過荷載峰值點后，隨著滑移位移增大，荷載逐漸降低，最終核心混凝土全界面發生相對滑移，隨后滑移過程中，荷載或升高(如試件TN-1、TN-4、D-6-a、E-8-a)或降低(如試件E-7-a、F-9-a)或平緩(如試件TN-2、TN-3)．這3類情況的原因在于鋼管宏觀偏差較大，摩阻力發生變化，導致荷載發生變化．

圖6　位移-荷載曲線

根據圖6位移-荷載曲線，圖(a)為TN1～TN-4試件的荷載-位移曲線，TN1、TN-2和TN-3緊箍系數相同，隨著長細比增大，試件黏結破壞荷載逐步遞增，在滑移位移達到約10 mm后，荷載趨于平緩，但有較小變化，此時鋼管內壁與輕集料混凝土之間的黏結荷載相對較為穩定，這與鋼管外壁縱向應變變化情況反應一致．圖(b)為D-6-a、E-7-a、E-8-a和F-9-a試件荷載-位移曲線，D-6-a、E-7-a和E-8-a緊箍系數相同，隨著長細比增大，試件黏結破壞荷載逐步遞增．根據鋼管壁應變和位移-荷載曲線分析，在核心輕集料混凝土與鋼管內壁發生較大的相對位移時，黏結荷載主要是由內管壁與輕集料混凝土摩阻力提供，對比圖6(a)與圖6(b)，緊箍系數相對較大構件，核心混凝土全界面發生相對滑移時荷載相對較大，摩阻力是此時荷載的主要部分．

2.3黏結破壞強度

本試驗采用“推出試驗”研究鋼管與輕集料混凝土之間黏結強度，荷載-位移曲線峰值點為黏結破壞荷載Pu，相應剪應力為抗剪黏結強度τu，位移為黏結破壞荷載對應位移Su[11-12]．

根據試驗結果，分析長細比對試件黏結破壞強度和黏結破壞荷載對應位移的影響，由表3數據得到相應變化關系曲線，如圖7～8所示．

圖8　緊箍系數與黏結破壞強度關系

如圖7所示，緊箍系數分別為0.86和1.17兩組試件，緊箍系數為0.86該組試件，隨著長細比增大(長細比分別為12.28、17.19和27.36)，黏結破壞強度沒有明顯增大或減小趨勢；緊箍系數為1.17該組試件，隨著長細比的增大，其黏結破壞強度逐漸降低．根據相關文獻長細比4～12試件，黏結破壞強度隨著長細比的增加有增大的趨勢，本文試驗研究長細比不在此范圍之內．也有相關文獻研究表明長細比對黏結破壞強度的影響不明顯[13]，如本次試驗緊箍系數為0.86組數據所示．

對比相同長細比不同緊箍系數對黏結破壞強度影響，如圖8所示，緊箍系數分別為0.70、0.86、1.17試件，試件黏結破壞強度依次為1.48 MPa、1.56 MPa、2.45 MPa，緊箍系數增大其黏結破壞強度相對較大；如圖7所示分析，相同長細比不同緊箍系數試件黏結破壞強度亦是相同反應．這是由于緊箍系數增大可以提高鋼管剛度，使得鋼管表面與混凝土之間機械咬合力更加顯著，同時使鋼管對輕集料混凝土產生的橫向約束力增大，提高鋼管混凝土黏結破壞強度．

圖9　長細比與黏結破壞荷載對應位移關系

如圖9(a)所示，長細比分別為12.28、17.19和27.36，隨著長細比增大，黏結破壞荷載對應位移有逐漸增大趨勢．如圖9(b)所示，引用康希良[7]部分試驗數據，長細比分別為12.58、17.61和22.64，緊箍系數相同，黏結破壞荷載對應位移隨長細比增大逐漸遞增．綜合圖9分析，緊箍系數相同，黏結破壞荷載對應位移隨長細比增大逐漸遞增．

3結論

1)鋼管輕集料混凝土位移-荷載曲線，當核心輕集料混凝土全界面發生相對滑移時，滑移荷載主要受緊箍系數直接影響，緊箍系數越大相應荷載越大．同時在緊箍系數一定的情況下，鋼管輕集料混凝土黏結破壞荷載對應位移隨長細比增大而逐漸遞增．

2)鋼管輕集料混凝土外圍管壁應變變化趨勢反映位移-荷載變化規律，該組試件核心輕集料混凝土全界面發生相對滑移時，管壁應變變化與沿管壁應變變化率越來越小最終趨于穩定，反映黏結荷載越來越小趨于穩定．

3)滑移過程中，試件長細比越大，鋼管越容易發生失穩，零截面環向約束越大；輕集料混凝土滑移位移越大，零截面環向約束越小．鋼管內壁混凝土接觸界面始終對核心輕集料混凝土有較大環向約束作用．

參考文獻：

[1]吉伯海，傅中秋，瞿濤，等．鋼管輕集料混凝土抗剪承載力試驗研究[J]．土木工程學報，2011，44(12)：25-33．

[2]Morishita Y， Tomli M． Experimental Studies on Bond Strength in Conerete Filled Circular Steel Tubular Columns Subjeeted to Axial Loads[J]． Transactions of Japan Conerete Institute， 1979(1)：351-358．

[3]Shakir K H． Pushout Strength of Concrete-filled Steel Hollow Sections[J]． The Structural Engineer， 1993，71(13)： 230-233．

[4]鐘善桐．鋼管混凝土中鋼管與混凝土的共同工作[J]．哈爾濱建筑大學學報，2001，34(1)：6-10．

[5]薛立紅，蔡紹懷．鋼管混凝土柱組合界面的黏結強度(上)[J]．建筑科學，1996(3)：22-28．

[6]薛立紅，蔡紹懷．鋼管混凝土柱組合界面的黏結強度(下)[J]．建筑科學，1996(4)：19-23．

[7]康希良．鋼管混凝土組合力學性能及黏結滑移性能研究[D]．西安：西安建筑科技大學，2008．

[8]張衛東，王振波，孫文彬，等．方鋼管再生混凝土界面粘結滑移性能試驗研究[J]．建筑結構，2015(8)：64-68．

[9]陳峰，鄭建嵐．自密實混凝土與老混凝土粘結滑移關系的有限元分析[J]．武漢大學學報：工學版，2014(6)：774-778．

[10] 傅中秋，吉伯海，陳晶晶，等．鋼管輕集料混凝土組合界面黏結滑移性能[J]．河海大學學報：自然科學版，2009，37(3)：317-322．

[11] Eiichi Inai，Akiyoshi Mukai，Makoto Kai．Behavior of Concrete-Filled Steel Tube Beam Columns[J]． Journal of Structural Engineering，2004，130(2)：189-202．

[12] Virdi K S，Dowling P J． Bond Strengthing Conerete Filled Steel Tubes[J]． IABSEProeeedings，1980：125-139．

[13] 劉永健，劉君平，郭永平，等．鋼管混凝土界面黏結滑移性能[J]．長安大學學報：自然科學版，2007，27(2)：53-57．

[責任編輯王康平]

土木水電論壇欄目征文

《三峽大學學報(自然科學版)》是科技部中國科技論文統計源期刊和俄羅斯《文摘雜志》、美國《化學文摘》、英國《INSPEC》收錄期刊，并已加入《中國學術期刊(光盤版)》和“中國期刊網”，在水利電力行業有一定的影響力和知名度。本刊自2004年開設了“水電論壇”欄目(現更名為“土木水電論壇”)，主要刊載反映國內外土木水電建設中的最新科研成果和工程應用的論文。歡迎土木水電工程科研和建設單位的廣大作者踴躍投稿，我們將以最大的熱情和最快的速度為您服務。對您所投的“土木水電”類論文，屬省、部級以上基金資助的，我刊將免收版面費，且稿酬從優！

Process Analysis of Bond-slip Behavior on Interface of

Light Aggregate Concrete Filled Steel Tube

Yu ZhenpengFu ZhongqiuJi Bohai

(College of Civil and Transportation Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098, China)

AbstractTo study the mechanism of bond-slip process on light aggregate concrete filled steel tube, four light aggregate concrete filled steel tube columns were designed. The force of bond-slip behavior on the interface of light aggregate concrete filled steel tube were analyzed through push-out tests. The effects of slenderness ratio and tight hoop coefficient were analyzed on the basis of bond-slip performance such as strain variations of the tube ektexine, displacement-load curves, strength destructive bond and corresponding displacements. By analyzing the changes of strain on tube outer wall in detailed, the bond-slip process during experiment was analyzed on the basis of strain variation of tube ektexine. The test results show that the slippage of load is directly affected by tight hoop coefficient, during the whole stage of interface slip. And the corresponding load increases with the increasing of tight hoop coefficient. In the process of slipping, stress variation of the tube ektexine reflects the tendency of its displacement-load curves. The whole interface of the tube inner wall which is contact with concrete always exerts obvious hoop constraint on light aggregate concrete; and in the part of steel pipe the larger the slenderness ratio is, the more obvious constraint is achieved. Under the same tight coupling coefficient, the bond destructive displacement increases with the slenderness ratio increasing.

Keywordslight aggregate concrete filled steel tube；bond-slip；strain variation of tube wall；slenderness ratio；tight hoop coefficient

基金項目：江蘇省自然科學基金(BK20130845)，江蘇省自然科學基金(BK2011836)

收稿日期：2015-09-16

中圖分類號：U44

文獻標識碼：A

文章編號：1672-948X(2015)06-0024-06

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2015.06.005

通信作者：傅中秋(1983-)，男，副教授，主要研究方向為組合結構橋梁、鋼橋維護．E-mail：fumidaut@163.com